Ultraschnelle lineare und nichtlineare Wechselwirkungen für photoinduzierte Chiralität in nanophotonischen Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Giancarlo Soavi; Professor Dr. Andreas Tittl
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 577521545

Chiralität in nanophotonischen Systemen ist ein leistungsfähiger Mechanismus zur Manipulation von Lichtpolarisation und -spin. Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch die dynamische Kontrolle dieser Eigenschaft auf ultraschnellen Zeitskalen. Das Projekt UNIC adressiert diese Lücke mit dem Ziel, die rein optische Steuerung linearer und nichtlinearer Chiralität in neuartigen Hybridstrukturen zu demonstrieren. Diese Strukturen kombinieren dielektrische Metaoberflächen mit geschichteten Van-der-Waals-(vdW)-Materialien. Das Konsortium bringt führende brasilianische (UPM und CNPEM) und deutsche Institutionen (LMU und FSU) zusammen, um das Zusammenspiel von Metaoberflächen-Design, Exzitonendynamik in 2D-Materialien und der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala zu erforschen. Der zentrale Ansatz des Projekts nutzt photoinduzierte Symmetriebrechung, um aktive chirale Plattformen zu realisieren. Drei miteinander verknüpfte Ziele werden verfolgt: (1) Entwurf und Realisierung aktiver Metaoberflächen, deren Chiralität im Pikosekundenbereich schaltbar ist. Erreicht wird dies durch das gezielte optische Brechen der Symmetrie eines neuartigen photonischen Zustands, den sogenannten „restored symmetry-protected chiral bound states in the continuum“ (RSP-BICs)”, bei denen ein photonisch achiraler Grundzustand durch optisches Pumpen in einen stark chiralen Zustand überführt wird. (2) Integration maßgeschneiderter vdW-Materialien und Heterostrukturen (z. B. verdrillte Doppelschichten) in Metaoberflächen. Auf diese Weise wird ein optisch steuerbarer Zirkulardichroismus (CD) ermöglicht, der durch die Photoanregung von Ladungsträgern im 2D-Material induziert und durch die Resonanzen der Metaoberfläche gezielt verstärkt wird. (3) Rein optische Kontrolle der nichtlinearen Chiralität. Hierbei untersuchen wir die aktive Modulation des nichtlinearen CDs in hybriden und monolithischen Strukturen. Insbesondere nutzen wir die Interferenz zwischen der nichtlinearen Antwort des photoaktivierten BICs und der Exzitonen im Schichtmaterial, um neue Freiheitsgrade für die Steuerung von chiralem Licht zu erschließen. Durch die Kombination modernster experimenteller und theoretischer Methoden wird UNIC eine neue Klasse miniaturisierter, ultraschneller chiraler photonischer Bauelemente entwickeln. Dafür greift das Projekt auf die synergetische Expertise des Konsortiums in den Bereichen Nanofabrikation, ultraschnelle Spektroskopie, theoretische Modellierung und Materialsynthese zurück. Diese technologischen Fortschritte eröffnen neuartige Anwendungsmöglichkeiten in der Quantenoptik, für durchstimmbare Lichtquellen und in der fortschrittlichen optischen Informationsverarbeitung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Partnerorganisation: Fundaçao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo - FAPESP
• Mitverantwortlich: Professor Leonardo de Souza Menezes, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dario Bahamon; Dr. Alisson Cadore; Professor Dr. Christiano de Matos